论文部分内容阅读
摘 要:汇气管是天然气集输和分配中必不可少的重要设备之一,具有压力高、数量大的特点,汇气管的安全运行对整个燃气输配系统具有重要意义。本文对焦作城市燃气公司磨头首站汇气管喷射火灾危害,运用数值模型分别对火焰喷射高度和热辐射产生危害的程度进行模拟,并对模拟结果进行了分析,得出了得出了相应的结论。
关键词:天然气 汇气管 火灾 模拟计算
中图分类号:X928.7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)11(c)-0038-02
发展的天然气工业对于提高经济效益,减少城市大气污染,方便居民生活等各方面都带来好处。然而随着我国燃气事业的快速发展,燃气管网的管理水平亟待提高,各类安全问题乃至频发的天然气事故给我们带来了种种忧虑。导致事故的原因和事故后果的定量分析对于降低管网运行风险,保证人民生命财产安全具有重要意义[1-2]。
本文针对焦作中燃城市燃气发展有限公司磨头首站汇气管喷射火灾危害采取定量计算的方法,通过喷射火灾事故模型和热辐射事故模型的计算,确定天然气泄漏后可能引起的喷射火焰高度、热辐射范围和强度,估算出当发生火灾时对设备造成的损伤及对人造成的伤害的程度,这不仅有利于磨头首站汇气管路系统的安全运行,也为管网风险评价提供了参考[3-4]。
1 天然气管道喷射火灾危害模型的建立
1.1 火焰喷射高度模型
天然气喷出的速度一般较大,流体雷诺数在104数量级,处于湍流射流,扩散火焰的高度与射流速度无关,而与喷射口处的直径直接相关。Hustand和Sonju通过试验和化学动力学推导得到适用于出现较大孔洞时的甲烷喷射火焰与气体运动雷诺数存在的量化关系。计算公式为:
(1)
式中:A—系数,甲烷取21
—喷射火焰段气体的速度
—火焰高度,m
—裂口处的直径,m
—重力加速度
1.2 热辐射模型
目前,计算热辐射的经典数学模型主要有:点源模型[5]和固体火焰模型[6]。点源模型认为火焰的辐射热由火焰轴线上半高度位置的中点发出,忽略火焰宽度的影响,其计算较为简单。
点热源的热辐射通量计算公式:
(2)
式中:HC—燃烧热,J/kg
—点热源热辐射通量,W
—泄漏气体质量流量,kg/s
η—效率因子,可取0.35
喷射火焰射流轴线上某点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度为:
式中:—点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度,W/m2;
—辐射率,可取0.2;
R—点热源到目标点的距离,m;
2 磨头首站汇气管喷射火灾事故危害程度模拟计算
选取磨头首站工艺装置区DN400汇气管进行计算,设计流量:5.0×108m3/a,西气东输天然气高发热值35.93MJ/m3,气体密度为0.785kg/m3,输送气体的出口平均温度20℃。假设在管路减压末端部分某处发生贯穿性破裂(采用最危险状况),天然气喷出很短时间就遇明火点燃,形成喷射火灾。
2.1 喷射口处气体流量与速度
气体的体积流量(标准状况下)为:
MV=40000m3/h=11.1m3/s
相应的质量流量为:
kg/s
管口断裂处的气体以标准状况计算,则喷射口处的气体速度为:
m/s
2.2 喷射火焰长度
采用Hustand 和Sonju 计算公式,假设气体的主要成分为甲烷,可以得出:
贯穿性破裂口直径取为管道直径,则火焰长度为:
H=102.5×0.4=41(m)
2.3 热辐射计算
取气体的高燃烧热值计算点热源的辐射通量为:
kW
2.3.1 火灾损失
火灾通过辐射热的方式影响周围环境,当火灾产生的热辐射强度足够大时,可使周围的物体燃烧或变形,强烈的热辐射可能烧毁设备甚至造成人员伤亡等。
火灾损失估算建立在辐射通量与损失等级的相应关系的基础上,热辐射的不同入射通量所造成的损失见表1。
2.3.2 热辐射危害区域的计算
根据喷射火焰射流轴线上某点热源i 到距离该点x处一点的热辐射强度公式:
—点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度,KW/m2;
—辐射率,可取0.2;
—点热源到目标点的距离,m;
输气管道破裂后喷射火焰热辐射危害区域计算见表2。
3 结语
磨头首站工艺装置区输气管道发生贯穿性破裂形成喷射火灾,喷射火焰长度为41m;
距喷射火焰射流轴线上某点热源6.6m范围内操作设备全部损坏,10s内出于此范围内的人员有1%的死亡概率,1min内则有100%的死亡概率;
距喷射火焰射流轴线上某点热源8.1m范围内在无火焰、长时间辐射下,木材被烤会燃烧,人员若不及时撤出则在10s发生重大伤亡,1min有100%的死亡概率;
距喷射火焰射流轴线上某点热源11.5m范围内有火焰时,木材会燃烧,塑料会熔化,人员在10s会发生1度烧伤,1min会发生1%的死亡概率。
参考文献
[1] 万礼锋,尹贻林,张丽君.城市燃气管网安全分析体系[J].煤气与热力.2007,27(11):50-53.
[2] 于京春,解东来,马东莲.城镇燃气管网风险评估研究进展及建议[J].煤气与热力.2007,27(12):38-42.
[3] 油气田及管道建设设计专业标准化委员会.GB 50251 #2003输气管道工程设计规范[S].北京:中国计划出版社.2003.
[4] 河南鑫安利安全评价有限公司.焦作市天然气利用工程安全预评价报告[S].2010.
[5] 刘诗飞,詹予忠.重大危险源辨识及危害后果分析[M].北京:化学工业出版社.2004.
[6] 杨昭.天然气管道孔口泄漏危险域的研究[J].天然气工业.2006,26(11):156-159.
关键词:天然气 汇气管 火灾 模拟计算
中图分类号:X928.7 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)11(c)-0038-02
发展的天然气工业对于提高经济效益,减少城市大气污染,方便居民生活等各方面都带来好处。然而随着我国燃气事业的快速发展,燃气管网的管理水平亟待提高,各类安全问题乃至频发的天然气事故给我们带来了种种忧虑。导致事故的原因和事故后果的定量分析对于降低管网运行风险,保证人民生命财产安全具有重要意义[1-2]。
本文针对焦作中燃城市燃气发展有限公司磨头首站汇气管喷射火灾危害采取定量计算的方法,通过喷射火灾事故模型和热辐射事故模型的计算,确定天然气泄漏后可能引起的喷射火焰高度、热辐射范围和强度,估算出当发生火灾时对设备造成的损伤及对人造成的伤害的程度,这不仅有利于磨头首站汇气管路系统的安全运行,也为管网风险评价提供了参考[3-4]。
1 天然气管道喷射火灾危害模型的建立
1.1 火焰喷射高度模型
天然气喷出的速度一般较大,流体雷诺数在104数量级,处于湍流射流,扩散火焰的高度与射流速度无关,而与喷射口处的直径直接相关。Hustand和Sonju通过试验和化学动力学推导得到适用于出现较大孔洞时的甲烷喷射火焰与气体运动雷诺数存在的量化关系。计算公式为:
(1)
式中:A—系数,甲烷取21
—喷射火焰段气体的速度
—火焰高度,m
—裂口处的直径,m
—重力加速度
1.2 热辐射模型
目前,计算热辐射的经典数学模型主要有:点源模型[5]和固体火焰模型[6]。点源模型认为火焰的辐射热由火焰轴线上半高度位置的中点发出,忽略火焰宽度的影响,其计算较为简单。
点热源的热辐射通量计算公式:
(2)
式中:HC—燃烧热,J/kg
—点热源热辐射通量,W
—泄漏气体质量流量,kg/s
η—效率因子,可取0.35
喷射火焰射流轴线上某点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度为:
式中:—点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度,W/m2;
—辐射率,可取0.2;
R—点热源到目标点的距离,m;
2 磨头首站汇气管喷射火灾事故危害程度模拟计算
选取磨头首站工艺装置区DN400汇气管进行计算,设计流量:5.0×108m3/a,西气东输天然气高发热值35.93MJ/m3,气体密度为0.785kg/m3,输送气体的出口平均温度20℃。假设在管路减压末端部分某处发生贯穿性破裂(采用最危险状况),天然气喷出很短时间就遇明火点燃,形成喷射火灾。
2.1 喷射口处气体流量与速度
气体的体积流量(标准状况下)为:
MV=40000m3/h=11.1m3/s
相应的质量流量为:
kg/s
管口断裂处的气体以标准状况计算,则喷射口处的气体速度为:
m/s
2.2 喷射火焰长度
采用Hustand 和Sonju 计算公式,假设气体的主要成分为甲烷,可以得出:
贯穿性破裂口直径取为管道直径,则火焰长度为:
H=102.5×0.4=41(m)
2.3 热辐射计算
取气体的高燃烧热值计算点热源的辐射通量为:
kW
2.3.1 火灾损失
火灾通过辐射热的方式影响周围环境,当火灾产生的热辐射强度足够大时,可使周围的物体燃烧或变形,强烈的热辐射可能烧毁设备甚至造成人员伤亡等。
火灾损失估算建立在辐射通量与损失等级的相应关系的基础上,热辐射的不同入射通量所造成的损失见表1。
2.3.2 热辐射危害区域的计算
根据喷射火焰射流轴线上某点热源i 到距离该点x处一点的热辐射强度公式:
—点热源i到距离该点x处一点的热辐射强度,KW/m2;
—辐射率,可取0.2;
—点热源到目标点的距离,m;
输气管道破裂后喷射火焰热辐射危害区域计算见表2。
3 结语
磨头首站工艺装置区输气管道发生贯穿性破裂形成喷射火灾,喷射火焰长度为41m;
距喷射火焰射流轴线上某点热源6.6m范围内操作设备全部损坏,10s内出于此范围内的人员有1%的死亡概率,1min内则有100%的死亡概率;
距喷射火焰射流轴线上某点热源8.1m范围内在无火焰、长时间辐射下,木材被烤会燃烧,人员若不及时撤出则在10s发生重大伤亡,1min有100%的死亡概率;
距喷射火焰射流轴线上某点热源11.5m范围内有火焰时,木材会燃烧,塑料会熔化,人员在10s会发生1度烧伤,1min会发生1%的死亡概率。
参考文献
[1] 万礼锋,尹贻林,张丽君.城市燃气管网安全分析体系[J].煤气与热力.2007,27(11):50-53.
[2] 于京春,解东来,马东莲.城镇燃气管网风险评估研究进展及建议[J].煤气与热力.2007,27(12):38-42.
[3] 油气田及管道建设设计专业标准化委员会.GB 50251 #2003输气管道工程设计规范[S].北京:中国计划出版社.2003.
[4] 河南鑫安利安全评价有限公司.焦作市天然气利用工程安全预评价报告[S].2010.
[5] 刘诗飞,詹予忠.重大危险源辨识及危害后果分析[M].北京:化学工业出版社.2004.
[6] 杨昭.天然气管道孔口泄漏危险域的研究[J].天然气工业.2006,26(11):156-159.